第四章PN结

24.1平衡PN结一、PN结结构二、空间电荷区三、平衡PN结载流子分布3PN4.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布一、PN结在同一块半导体单晶中N型区与P型区的交界面以及交界面两侧的过渡区，称为PN结。PN结2020/1/163★p-n结的形成•p-n结的形成♦控制同一块半导体的掺杂,形成pn结(合金法;扩散法;离子注入法等)♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体•同质结和异质结♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结--同质结♦由两种不同的半导体单晶材料组成的结—异质结2020/1/164•工艺简介:♦合金法—合金烧结方法形成pn结♦扩散法—高温下热扩散,进行掺杂♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅结•杂质分布的简化:♦突变结♦线性缓变结44.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布二、PN结加工方式与杂质分布合金法制造PN结过程熔融P-SiAlN-SiP区N区x杂质浓度xjNAND突变结54.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布二、PN结加工方式与杂质分布1.突变结单边突变结P＋N结N＋P结P区N区x杂质浓度xjNAND6P-Si4.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布二、PN结加工方式与杂质分布N-Si扩散法制造PN结过程缓变结NPx杂质浓度xjND-NA74.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布二、PN结加工方式与杂质分布2.缓变结(1)缓变结杂质分布杂质浓度近似处理方法A。线性缓变结近似B。突变结近似NPx杂质浓度xjND-NA4.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布二、杂质分布2、缓变结(2)线性缓变结近似适用于表面杂质浓度较低、结深较深的缓变结dN(x)dxx=xjaj=x杂质浓度xjND-NA杂质浓度xjx84.1平衡PN结4.1.1、PN结结构与杂质分布二、杂质分布2、缓变结(3)突变结近似适用于表面杂质浓度较高、结深较浅的缓变结x杂质浓度xjND-NA杂质浓度xjx9104.1平衡PN结4.1.2、能带图与空间电荷区一、空间电荷区的形成N型区与P型区有何差别？N型区与P型区交界面处载流子如何运动？•空间电荷•空间电荷区•内建电场内建电场促使少子漂移内建电场阻碍多子扩散空间电荷区形成内建电场4.1平衡PN结4.1.2、能带图与空间电荷区一、空间电荷区的形成载流子浓度差内建电场促使少子漂移内建电场阻碍多子扩散载流子扩散和漂移达到动态平衡。11多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区13空间电荷区:♦在结面附近,由于存在载流子浓度梯度,导致载流子的扩散.♦扩散的结果:在结面附近,出现静电荷--空间电荷(电离施主,电离受主).♦空间电荷区中存在电场--内建电场,内建电场的方向:n→p.在内建电场作用下,载流子要作漂移运动.2020/1/1614SemiconductorPhysics2020/1/1615PN4.1平衡PN结4.1.2、能带图与空间电荷区二、平衡PN结能带图VD:接触电势差(内建电势)空间电荷区又称势垒区耗尽层空间电荷区内建电场xpxnVD位电qVD能势子电带能EV12iEDECqVFNECEFEViEFP两者费米能之差444.1平衡PN结4.1.2、能带图与空间电荷区教材处理方法：接触电势差大小与两边的掺杂浓度有关系，材料本身也有关系。44了解内容44了解内容4422•平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:♦同一种载流子在势垒区两边的浓度关系服从玻尔兹曼关系♦处处都有n•p=ni2♦势垒区是高阻区(常称作耗尽层)如：势垒区内电势能比n区导带底低0.1eV的点，多数载流子电子的浓度仅为1/50倍，而少子空穴浓度仅为倍，此处载流子浓度很小，就象耗尽了一样，所以称为耗尽区。1010•知道了耗尽区载流子浓度分布，根据电动力学知识就可得电势电场分布。•如图。SemiconductorPhysics2020/1/1624StepJunction1716151410,10,10,10np1，若一边重掺杂，则势垒区几乎全部在轻掺杂一边，能带弯曲也在这一边。2.热平衡状态下，对于若取V＝0.75V，对于掺杂浓度每立方厘米，可算得耗尽区宽度分别为3.1,1.0,0.31,0.1微米。3.由此公式还可看出宽度随着外加电压的变化而变化。平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子（电子或空穴）。非平衡载流子：由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子。pn4.2非平衡状态下的P－N结4.2.1非平衡状态下的能带图（1）光照npnp+_En区空穴P区电子光生伏特效应：1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；2）p、n区都产生电子—空穴对，产生非平衡载流子；3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；5）若p-n结开路，在结的两边积累电子—空穴对,产生开路电压。正偏压np+—E内电场（2）外加电压负偏压np+—E内电场高负偏压np+—E隧道效应内电场3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间电荷区变薄，p-n结产生隧道效应，即n区的导带和p区的价带具有相同的能量量子态。2）加入负偏压V，n区的电势比p区的电势高VD+V，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。1）加入正偏压V，n区的电势比p区的电势高VD–V，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子扩散增强，载流子产生的净电流。当p-n结上加有电压时，势垒高度和势垒厚度都将发生变化。如果外加的是正向电压，则势垒高度降低，使阻挡载流子往对方扩散的作用减弱，从而发生少数载流子的大量注入（大量电子从n型区注入到p型区，大量空穴从p型区注入到n型区）。注入到对方去的少数载流子首先是在势垒区边缘处积聚（积聚的有效范围就是少数载流子的扩散长度，p-n结的这个区域就称为扩散区）；然后再依靠浓度梯度往半导体内部扩散，从而形成较大的通过p-n结的电流——正向电流。显然，如此形成的p-n结正向电流是少数载流子的扩散电流。4.2.2载流子的注入和抽取4.2.2载流子的注入和抽取如果在p-n结上外加的是反向电压，则势垒升高，使阻挡载流子往对方扩散的作用加强，这时将不会出现少数载流子的注入，从而不会有注入-扩散形成的反向电流；但是在势垒边缘处的少数载流子将要受到势垒中电场的作用，可以被抽取到对方，从而形成通过p-n结的反向电流，但这时因为总的少数载流子浓度很低，则在势垒边缘产生的浓度梯度很小，则少数载流子往势垒边缘处扩散的电流也很小，所以p-n结的反向电流很小。但应该强调的是这种微小的反向电流也是由于少数载流子在扩散区的扩散所形成的电流，属于扩散电流，并非漂移电流。4.2.3耗尽区边载流子的浓度和偏压关系零偏置时：通过耗尽区的电流为漂移电流与扩散电流之差零偏置时，处理平衡状态：利用爱因斯坦关系式，可得：对两边积分：0//qkTqVakTnbpappee=0/00qkTpaApapnpNnppe=A点应遵循空间电荷中性条件，多数载流子远大于少子因此：2//0aqVkTqVakTinbnDnppeeN==2//0aqVkTqVakTipapAnnneeN==耗尽区边缘少数载流子浓度可以想见，凡是与有关的量，只要把其中的改换成（–V）后，就可把p-n结在热平衡下的所有关系推广到加有电压V的非平衡态去。00002///00aqqVakTqVkTqVakTinbnpDnppepeeN===02///00aqqVakTqVkTqVakTipapnAnnneneeN===4.2.4准中性区内的扩散流少子可以通过漂移和扩散两种方式流动。如果半导体材料的均匀掺杂区是准中性的，而且少数载流子并不是很小，那么少数载流子的流动将以扩散方式为主，下面证明之：反证法：考虑少子电流并不是很小，有：eeednJqnqDdx=hhhdpJqpqDdx=0DpnN求导得dpdndxdx假使少子电流中漂移成份不可忽略即：hqphdpqDdx由于n远远大于p，则：hhhdpdnqnqDqDdxdx同样：eednqnqDdx由于电子与空穴的迁移率大小差不多（数量级相同）：ehqnqp得出结论：ehJj与初始假设条件相矛盾，也就是说，少子电流漂移成份不可忽略假设是错误的。也就是说：准中性区少数载流子的流动是以扩散方式为主。势垒电容扩散电容554.3PN结电容PN结电容势垒电容扩散电容564.3PN结电容4.3.1PN结的势垒电容一、势垒电容当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电，放电。因为耗尽层厚度W随着外加电压V而改变，则耗尽层中的空间电荷Q也将随着外加电压而改变，这就有p-n结的所谓电容效应。4.3PN结电容4.3.1PN结的势垒电容四、势垒电容讨论1、PN结势垒电容和平板电容的不同电容随外加电压变化势垒区内充满电荷2、PN结势垒电容与杂质浓度、杂质分布、结面积、外加电压有关突变结势垒电容:与VD－V的1/2次方成反比线形缓变结势垒电容：与VD－V的1/3次方成反比61634.3PN结电容4.3.2PN结的扩散电容当PN结外加正向偏压V，在其势垒区二边的扩散区内有着非平衡少数载流子电荷的积累。当V升高，积累的“非平衡少子”电荷增多。相当于电容“充电”；当V降低，积累的“非平衡少子”电荷减少，相当于电容“放电”。NPpN0pP0nN0nP0xNxPkTpxN=eqVkTnxP=eqV2//0aqVkTqVakTinbnDnppeeN==2//0aqVkTqVakTipapAnnneeN==4.6暗特性•上周学习了，PN结区可划分为耗尽区和扩散区（准中性区）。•不管是正向电压还是反向，都是少数载流子的扩散。主要运动方式就是扩散。•在耗尽区边缘，少数载流子的浓度。4.6.1准中性区中的少数载流子•少数载流子以扩散运动。•连续性方程：•根据复合率表示：•扩散长度：•三方程联立：•无光照时G＝0，而且：hhdpJqDdx=1hdJUGqdx=hpU=202nnnhhdpppDGdx=hhhLD=220nodpdx=•方程简化为：•方程的通解：•根据边界条件：1、在x=0处，2.在x趋于无穷大，Pn是有限的。A＝04.6.1准中性区中的少数载流子222hdppdxL=//hhxLxlpAeBe=2//0aqVkTqVakTinbnDnppeeN==•这些边界条件给出解：•同样地：4.6.1准中性区中的少数载流子//00()1hxLqvkTnnnpxppee=//0()1exLqvkTppopnxnnee=反向偏压下载流子4.6.2少数载流子电流•已知少数载流子在准中性区的分布，那么根据扩散电流公式，在n型一侧有：•将载流子分布代入，得：同样地，hhdpJqDdx=//()(1)hxLqvkThnohhqDpJxeeL=//()(1)exLqvkTepoeeqDpJxeeL=4.6.2少数载流子电流•现在来考虑耗尽区的电流，由电流连续性方程可得：•因此通过耗尽区的电流变化量为：•W通常比扩散长度小得多，（扩散长度一般大于200微米，W一般为几微米到几十微米），可以看作电流在耗尽区没有损失和产生，那么上式中的积分就可以忽略。11ehdJdJUGqdxqdx==0ehwJJqUGdx==•现在就可以求总电流：•理想二极管电流：•称之为饱和电流，定义为：4.6.2少数载流子电流00/(1)totalehxxqvkTepohnoehJJJqDnqDneLL====/0(1)qvkTIIe=0I220()eihieAhDqDnqDnIALN